- •Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
- •Эффект Зеемана (Zeeman P.) является одним из убедительных экспериментальных доказательств
- •Простой (нормальный) эффект Зеемана
- •Вболее сложном аномальном эффекте Зеемана
- •Сложный (аномальный) эффект Зеемана
- •Для объяснения эффекта Зеемана воспользуем-
- •Таким образом, в магнитном поле каждый энерге- тический уровень Е (терм) атома расщепляется
- •Подсчитаем значение множителя Ланде для сос-
- •Схема переходов простого
- •Теперь рассмотрим пример аномального эффек-
- •Уровень 2P1/2 также расщепится на два подуров-ня,
- •Частоты этих линий по формуле (24.3) равны:
- •Схема переходов сложного
- •Эффект Штарка
- •Магнитные свойства веществ
- •Класс парамагнетиков (в широком смысле) включает в себя:
- •Антиферромагнетики: твердые (кристаллические)
- •Намагниченность (магнитный момент единицы объе-
- •Правило Ленца гласит, что всякое изменение магнит-
- •Парамагнетики
- •Обозначим полное число атомов в единице объема
- •Согласно формуле (24.5), проекция магнитного мо-
- •Магнитный резонанс
- •В настоящее время известны:
- •Для объяснения явлений магнитного резонанса вер-
- •Переходы между зеемановскими подуровнями одно-
- •Схемы переходов с излучением энергии
- •Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)
- •Схема установки для наблюдения ЭПР
- •Методика исследования ЭПР
- •Условие резонансного поглощения
- •Вэксперименте по заданному Bрез определяют резо-
- •Магнитные свойства
Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
24 (2). Эффект Зеемана. Эффект Штарка. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)
Эффект Зеемана (Zeeman P.) является одним из убедительных экспериментальных доказательств
существования магнитного момента атома и правил
его квантования. Эффект Зеемана заключается в расщеплении спектральных линий источника света,
помещенного в магнитное поле. При этом в прос-
тейшем случае нормального эффекта Зеемана в
направлении, перпендикулярном магнитному полю линия расщепляется на 3 компонента: 0, 0 +∆ 0, 0 -∆ 0, а в направлении вдоль поля – на 2 компо-
нента: 0 +∆ 0, 0 -∆ 0, где
0 |
eB |
(24.1) |
|
4 me |
|||
|
|
Простой (нормальный) эффект Зеемана
Схематическое изображение просто- го эффекта приведено на рисунке. В
направлении вдоль магнитного поля
линия, имеющая частоту , представ- ляется в виде двух линий с круговы- ми поляризациями и с частотами
+ и - .
В направлении перпендикулярном магнитному полю, спектральная ли-
ния расщепляется на 3 компонента с
частотами + , и - . Смещение
eB
4 me
где e и me - заряд и масса электрона, В - индукция магнитного поля.
Вболее сложном аномальном эффекте Зеемана
линия расщепляется на большее число компо-
нент, причем сдвиг частоты ∆ не равен ∆ 0. Те-
ория, основанная на законах классической фи- зики (теория Лоренца) смогла объяснить только
нормальный эффект, а аномальный эффект,
встречающийся гораздо чаще, классическая фи- зика объяснить не в состоянии. Нормальный эф-
фект Зеемана наблюдается лишь на одиночных (синглетных) линиях, возникающих при перехо- дах между уровнями с суммарным спином S=0.
Во всех остальных случаях наблюдается ано-
мальный эффект.
Сложный (аномальный) эффект Зеемана
Простой эффект объяснил голландс- кий физик Хендрик Лоренц (Lorentz H.) в рамках классической электронной теории (поэтому эффект называется нормальным). Сложный эффект наб- людается гораздо чаще, но его может объяснить только квантовая теория, поэтому его назы- вают ано- мальным.
Для объяснения эффекта Зеемана воспользуем-
ся векторной моделью атома. Пусть в отсутст- вие магнитного поля атом находится в некото-
ром состоянии, которому соответствует энергия
E. Поместим его в магнитное поле. В результа- те взаимодействия магнитного момента атома с полем его энергия изменится и станет равной (см формулу (23.5) ):
E E E J B
E JB B E 0 gBM J (24.2)
где MJ, как уже указывалось, может принимать 2J+1 значений.
Таким образом, в магнитном поле каждый энерге- тический уровень Е (терм) атома расщепляется
на 2J+1 подуровней с энергиями, определяемы-
ми формулой (24.2), что и приводит к появлению новых линий в спектре. Действительно, пусть в отсутствие поля атом при переходе из состояния E2 в состояние E1 излучал линию с частотой 0:
h 0 E2 E1
В магнитном поле оба уровня расщепляются на подуровни, поэтому теперь будут излучаться частоты:
h i E2 0 g2M J 2 B E1 0 g1M J1BE2 E1 0 B g2M J 2 g1M J1
или: |
i 0 0 |
g2M J 2 g1M J1 (24.3) |
|||||||||
где |
0 |
|
E2 E1 |
, |
0 |
|
0 B |
|
eB |
|
|
h |
4 me |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
h |
|
Рассмотрим пример: Переход между уровнями 1S0 и 1P1 атома гелия. Оба терма имеют S=0. В
магнитном поле терм 1S0 не расщепляется, т.к. J=0, значит MJ1=0, и по формуле (24.2) ∆E=0.
Терм 1P1 расщепляется на три подуровня, т.к. J=1, и магнитное квантовое число MJ2 принима-ет
три значения: +1, 0, -1.
Подсчитаем значение множителя Ланде для сос-
тояния 1P1:
g2 1 J (J 1) S(S 1) L(L 1) 2J (J 1)
1 1 2 0 1 2 1 2 1 2
Таким образом, по формуле (24.3) получаем
i 0 0 M J 2
или 1 0 0 , 2 0 , 3 0 0
- нормальный эффект Зеемана.
Схема переходов простого
("нормального") эффекта Зеемана